CH677627A5

CH677627A5 -

Info

Publication number: CH677627A5
Application number: CH246/89A
Authority: CH
Inventors: Hubert Dr Hinzen
Original assignee: Mueller Georg Nuernberg
Priority date: 1988-02-17
Filing date: 1989-01-26
Publication date: 1991-06-14
Also published as: DE3804873A1; GB2216441B; FR2627113A1; FR2632661A1; GB2216441A; KR890013718A; JPH029564A; DE3804873C2; GB8903700D0; IT8919242A0; US4967725A; IT1228021B

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Drahtsäge gemäß Oberbegriff des Anspruches 1,

Das Zertrennen sehr harter Werkstoffe ist nach dem derzeitigen Stand der Technik nach dem Prinzip des Trennens mit einem Sägedraht durchaus möglich, Das besondere Problem liegt jedoch in der Forderung nach möglichst geringer Schnittbreite begründet. Sägedrähte mit einem Durchmesser von 1 mm und mehr erlauben es auch bei Verwendung konventioneller Antriebsmechanismen, die geforderten Spann- und Schnittkräfte auf das Seil zu übertragen.

Geringe Schnittbreiten machen es jedoch erforderlich, den Drahtdurchmesser auf wenige zehntel Millimeter zu reduzieren. Dies kann jedoch nur dann gelingen, wenn die Zugfestigkeit des Sägedrahtes in optimaler Weise der Aufnahme der Spann- und Schnittkräfte ausgeschöpft wird. Dabei kommt der Auslegung der Vorrichtung, die die Antriebskräfte auf den Sägedraht aufbringt, ganz besondere Bedeutung zu: sie muß so ausgebildet sein, daß bei der durch die Werkstoffestigkeit begrenzten Drahtspannung ein möglichst großer Betrag an Schnittkraft übertragen werden kann.

Dabei ergibt sich ganz zwangsläufig die Schwierigkeit, daß mit den im Sägedraht vorliegenden Zug-und Leertrumkräften einerseits im Schnitt ein Durchrutschen erzwungen werden muß, denn nur so kann es zu einem Trennvorgang kommen, daß aber andererseits mit den gleichen Zug- und Leertrumkräften auf der Antriebsseite ein Durchrutschen auf jeden Fall verhindert werden muß, da andernfalls der Antriebsmechanismus selber zertrennt werden würde. Diese Problematik wird beispielsweise durch den stark schwankenden Reibwert zwischen Sägedraht und Werkstück bzw. zwischen Sägedraht und Antriebsmechanismus erschwert.

Die oben genannten Forderungen lassen sich gemeinsam nur dann erfüllen, wenn der Umschlin-gungsbogen auf der Antriebsseite des Drahtes ausreichend groß ist. Dabei muß jedoch ein Um-schlingungsbogen vorgesehen werden, der auf einer Rolle gar nicht unterzubringen ist, sondern auf mehrere Rollen verteilt werden muß. Die Kraftauf-teilung auf mehrere Rollen kann aber nur dann vorteilhaft ausgenutzt werden, wenn die Antriebswirkungen der einzelnen Rollen mit ihrem jeweiligen Motor genau aufeinander abgestimmt werden. Eine Momentenverzweigung, die alle Rollen von einem gemeinsamen Motor aus versorgt, ist hier wenig sinnvoll, denn in diesem Fall würde sich der durch Dehnschlupf unabdingbare Verschleiß besonders im Teillastbereich vornehmlich auf die erste Rolle konzentrieren, was nachteilige Auswirkungen auf die Wartungsintervalle und damit auf die Stillstandszeiten der Maschine haben würde. Außerdem wäre die mechanische Koppelung der Antriebsrollen untereinander nach dem derzeitigen Stand der Technik nicht so ohne weiteres möglich: Ein formschlüssiges Verzweigungsgetriebe (beispielsweise Zahnradgetriebe) stößt bei den hier angestrebten hohen Sägedrahtgeschwindigkeiten und den damit verbundenen Drehzahlen sehr bald an schmierungstechnische Grenzen und jede Art von reibschlüssiger Lei-stungsverzweigung ist schon alleine deshalb ungeeignet, weil der dabei unvermeidlich auftretende Schlupf sich zwangsläufig an die Kontaktstellen Antriebsrolle-Sägedraht fortsetzt und dort erhöhten Verschleiß hervorruft, .

Aus der DE-PS 3 209 164 ist nun eine Drahtsäge der eingangs genannten Art bekannt, dabei wird ein endlicher Sägedraht zwischen zwei Antriebsrollen hin- und hergewickelt. Die Antriebsrollen haben zur Führung des Sägedrahtes gewindeähnliche Rillen, auf die der Sägedraht aufgewickelt wird. Um den Sägedraht in einer bestimmten Arbeitsposition zu halten, sind die Antriebsrollen mit Verschiebevorrichtungen ausgestattet, welche die Antriebsrollen entsprechend der Steigung der Rillen in entgegengesetzter Richtung nur axialen Drahtverschiebung verschieben. Abgesehen vom komplizierten Aufbau dieser Drahtsäge ist eine präzise Führung und Spannung des Sägedrahtes nicht gewährleistet.

Für diesen ganzen Problemkreis ist bis heute noch keine befriedigende Lösung gefunden worden. Aus diesem Grunde sind Drahtsägen dort, wo es um höchste Präzision geht, beispielsweise auf dem Halbleitersektor, noch nicht über das Versuchsstadium hinausgekommen und konnten sich bislang noch nicht in der industriellen Praxis durchsetzen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Drahtsäge der eingangs genannten Art zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Drahtsäge durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches gelöst.

Die Lösung des Problems liegt also darin, einen endlosen Sägedraht vorzusehen und die am Antrieb beteiligten Rollen einzeln mit je einem Motor auszustatten und durch elektrische oder mechanische Abstimmung ihrer Drehzahl-Drehmomentenkennlinien untereinander die Gesamtkraft auf die einzelnen Antriebsaggregate so aufzuteilen, daß

1. die einzelnen Antriebsrollen mit gleicher oder zumindest annähernd gleicher Sicherheit gegenüber Gleitschlupf am Antrieb beteiligt sind, wodurch die übertragbare Kraft auf ein Maximum gesteigert wird und

2. der durch Dehnschlupf in jedem Fall erzwungene Verschleiß sich nahezu gleichmäßig auf alle Antriebsrollen verteilt.

Ein Beispiel möge diesen Sachverhalt verdeutlichen:

Ein aus 3 Antriebsrollen bestehender Antriebsmechanismus mit gegebenen konstruktiven Randbedingungen kann ohne Anpassung der Einzelantriebe eine Kraft von knapp 8 N übertragen, bei Anpassung der Einzelantriebe kann diese Kraft auf fast 10 N gesteigert werden.

Die Verschleißaufteilung bei Anpassung überträgt unabhängig von der tatsächlich übertragenen Kraft immer 34,0% für die erste, 38,9% für die zweite und 27,2% für die dritte Antriebsrolle.

Bei nicht angepassten Einzelantrieben übernimmt bei Vollast die erste Antriebsrolle 37,7%, die zweite 43,2% und die dritte 19,1% des Verschleißes.

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Sinkt die Last von 70% ihres Maximalwertes ab, so werden von der ersten Rolle 46,6% und von der zweiten Rolle 53,4% des Verschleißes übernommen, während die 3. Rolle überhaupt keinen Verschleiß mehr aufzunehmen hat. Beträgt die übertragene Kraft weniger als ein Viertel des Maximalwertes, so konzentriert sich der Verschleiß ausschließlich auf die erste Rolle.

Dieser Umstand gewinnt besondere Bedeutung dadurch, daß Drahtsägen im wesentlichen nur im Teillastbereich betrieben werden und nur für gelegentlich auftretende größere Lasten, und der damit verbundenen Gleitschlupfgefahr entsprechend größer dimensioniert werden müssen.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 die prinzipielle Anordnung der wesentlichen Bauteile einer solchen Drahtsäge

Fig. 2 die bezüglich der Seilreibung erforderliche Aufteilung der Gesamtkraft auf die einzelnen Rollen

Fig. 3 die Verwirklichung dieser geforderten Kraftaufteilung durch Anpassung und Ausnutzung der Drehmomenten-Drehzahlkennlinien der Antriebsmotoren.

Fig. 1 zeigt die wichtigsten Elemente einer solchen Drahtsäge. Der Sägedraht 1 befindet sich mit dem Werkstück 2 im Eingriff und wird von mehreren, in diesem Fall 3 Rollen, angetrieben, die ihrerseits mit je einem hier nicht dargestellten Motor gekoppelt sind. Die Rollen 4 dienen lediglich als Umlenk- oder Führungsrollen und haben auf die Zugkraftwirkung des Sägedrahtes keinen Einfluß. Die drei Antriebsrollen sind eng beieinander mit Ihren parallelen Rotationsachsen als Eckpunkte eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet, um einen möglichst großen Gesamtumschlingungswinkel zu erzielen.

Im Schnitt entsteht durch die Prozeßkräfte eine Reibungskraft R, die sich als Differenz zwischen Zugtrumkraft St und Leertrumkraft S4 bemerkbar macht. Im Sinne einer konstanten Vorspannung wird die Leertrumkraft S4 durch Gewichts- und Federmechanismus auf einen kostanten Wert gehalten.

Die drei Antriebsrollen werden von ihren Motoren in eine solche Richtung angetrieben, daß entsprechend dem Kräftebedarf des Schnittes im Trum 1 die Zugtrumkraft und im Trum 4 die Leertrumkraft hervorgerufen wird. Je nach Antriebsbeteiligung der einzelnen Rollen bilden sich die zwischen der maximalen Zugtrumkraft Si und der minimalen Leertrumkraft S4 angesiedelten Zwischenniveaus S? und S3 aus.

Eine ordnungsgemäße Funktion der Drahtsäge erfordert eine sichere Reibkraftübertragung an den drei Antriebsrollen. In Fig. 2 wird dieser Sachverhaltverdeutlicht:

Der Antriebsmechanismus als Gesamteinheit ist im 1. Quadranten dargestellt. Die Leertrumkraft S4 wird - wie oben beschrieben - für alle Betriebszu-stände konstant gehalten. Ist der Draht nicht im Werkstück im Eingriff, so sind alle Trumkräfte, also auch St, so groß wie S4, der Betriebszustand liegt auf der Winkelhalbierenden. Wird durch den Eingriff des Sägedrahtes im Werkstück eine Reibkraft in den Sägedraht eingeleitet, so tritt eine betragsmäßig gleichgroße Kraft als Umfangskraft Uges im Antriebsmechanismus auf, die die Zugtrumkraft Si gegenüber der Leertrumkraft S4 vergrößert. Diese durch den Schnittprozeß verursachte Kraftdiffe-renz Uges = St - S4 darf einerseits so groß werden, wie es der Reibwert und der Umschlingungswinkei aller Antriebsrollen zulassen; im 1. Quadranten von Fig. 2 ist der für die Kraftübertragung kritische Grenzfall der Rutschgrenze dargestellt (Gerade mit der größten Steigung).

Andererseits ist ein Vermeiden der materialschädigenden Rutscherscheinung aber auch nur dann garantiert, wenn der Reibschluß einer jeden einzelnen Rolle nicht überschritten wird. Zur Verdeutlichung dieses Sachverhaltes sind die 3 einzelnen Rollen in Fig. 2 in ähnlicher Weise in 3 weitere Quadranten dargestellt. Der Rutschgrenzenleit-strahl in diesen drei Quadranten verläuft natürlich wesentlich flacher als der im 1. Quadranten, da unter Zugrundelegung eines an allen Rollen gleichgroßen kritischen Reibwertes im 1. Quadranten der gesamte Umschlingungswinkei aller 3 Rollen, in den anderen 3 Quadranten jedoch nur der der zugehörigen Rolle anteilsmäßig zugeordnete Umschlingungswinkei berücksichtigt wird.

Aus dieser Darstellung wird ersichtlich, daß die an der einzelnen Rolle aufgebrachte Umfangskraft nur so groß werden darf, wie es sich aus der jeweils vorliegenden Leertrumkraft ergibt. Die an den einzelnen Rollen aufgebrachten Umfangskräfte Ut, Uz und U3 ergeben schließlich in ihrer Summe die Ge-samtumfangskraft Uges. Für den optimalen Betrieb muß die Aufteilung von Uges in die Einzelbestandteile Ut, Us und U3 also unabhängig von der Vorspannung S4 immer eine ganz bestimmte Verhältnismäßigkeit aufweisen.

Um eine größere Gesamtumfangskraft Uges ausnutzen zu können, muß die Vorspannung S4 gesteigert werden. Die Grenze ist jedoch da erreicht, wo die dabei auftretende maximale Trumkraft St die Zugfestigkeit des Drahtes überschreitet.

Im Sinne des gleichmäßigen Verschleißes aller drei Rollen und gleicher Leistung aller 3 Antriebsmotoren wäre eine Aufteilung der Gesamtumfangskraft in 3 gleichgroße Einzelkomponenten wünschenswert. Dies läßt sich jedoch nur annähernd erreichen.

Aus diesem Grunde sind auch die drei Rollen unsymmetrisch angeordnet (Fig. 1 ), um der von vornherein benachteiligten dritten Rolle durch Vergrößerung des Umschlingungswinkels wieder etwas mehr Umfangskraft zumuten zu können. Durch diese Anordnung wird der Umschlingungswinkei der ersten Rolle kleiner, was ebenfalls der Angleichung der Umfangskräfte untereinander dienlich ist.

Die wesentliche Aufgabe besteht also darin, die Umfangskräfte an den drei einzelnen Rollen durch den sie antreibenden Motor individuell abzustimmen. Dieser Vorgang soll vorzugsweise mit einfachen Mitteln, also ohne meß- und regeltechnischen Aufwand bewerkstelligt werden.

Die Lösung des Problems der Antriebskraftauf-

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teilung wird in diesem Beispiel durch eine Anpassung der elektromechanischen Eigenschaften der einzelnen Motore an die jeweiligen Kraftübertragungserfordernisse bewerkstelligt.

Das Prinzip wird in Fig. 3 erläutert:

Im 1, Quadranten sind die Motorkennlinien aufgetragen, die ein Nebenschlußverhalten zeigen müssen, da andernfalls der Antrieb im lastlosen Zustand eine übermäßig große Geschwindigkeit annehmen würde. Die Drehzahl eines jeden Motors, multipliziert mit dem dazugehörigen Rollenradius, ergibt die Umfangsgeschwindigkeit der Rollen, die der Sägedrahtgeschwindigkeit gleichzusetzen ist (Quadrant 4).

Das Moment des Motors, dividiert durch den dazugehörenden Rollenradius, führt auf die am Umfang entstehende Kraft (2. Quadrant). Beide Zusammenhänge sind linear und bei entsprechender Skalierung läßt sich dieselbe Gerade sowohl im 2. als auch im 4. Quadranten benutzen.

Da alle drei Antriebsrollen über den gemeinsamen Sägedraht gekoppelt sind, müssen für einen bestimmten Betriebszustand die Umfangsgeschwindigkeiten aller drei Rollen gleich sein. Da die einzelnen Rollen gleichen Durchmesser aufweisen, laufen alle 3 Motoren zwangsläufig mit gleicher Drehzahl.

Zur weiteren Verdeutlichung der Umfangskraft-aufteilung läßt sich der 3, Quadrant heranziehen: Die Umfangskräfte Ui, Uz und Us, die jeweils als Einzelkomponente auf der Abszisse wiederzufinden sind, lassen sich als Summe Uges = Un- U2 + U3 auf der Ordinate auftragen. Die nach Fig. 2 ermittelte optimale Umfangskraftverteilung läßt sich dann als Geradenbündel im 3. Quadranten von Fig. 3 darstellen.

Die Verhältnismäßigkeit zwischen U1, U2 und U3 soll unabhängig von der Gesamtlast Uges einen ganz bestimmten Wert einhalten. Die einzelnen Umfangskräfte ergeben über den Rollenradius entsprechende Momente. Diese La. unterschiedlichen Momente müssen aber bei der gleichen Drehzahl wirksam werden. Daraus ergeben sich im 1. Quadranten unterschiedliche Kennlinien für die drei Motoren: Im Leerlauf ist gleiche Drehzahl gefordert, je nach Last übernimmt der einzelne Motor soviel Moment, wie für ihn nach der im 3. Quadranten dargestellten Verhältnismäßigkeit vorgesehen ist.

Claims

Patentanspruch

Drahtsäge mit einem Sägedraht, der entweder mit Schneidstoff bestückt ist oder als Trägermaterial für lose beigegebenes Trennmedium dient, ferner mit zur reibschlüssigen Kraftübertragung vom Sägedraht umschlungenen Antriebsrollen mit je einem Antriebsmotor mit Nebenschlußverhalten, dadurch gekennzeichnet, daß der Sägedraht endlos umlaufend ist und alle Antriebsrollen (3) gleichen Durchmesser aufweisen und die Antriebsmotoren unterschiedliche Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien besitzen, wobei die Antriebsmotoren elektromechanisch so abgestimmt sind, daß alle Antriebsrollen (3) mit im wesentlichen gleicher Sicherheit gegen Gleitschlupf am Antrieb des endlosen Sägedrahtes (1) beteiligt sind.

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